JP3925849B2 - 封孔処理方法及び封孔処理された溶射皮膜とその皮膜を施したファンまたはブロワー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶射法によって、物体の上に形成された、サーメット、セラミックスまたは金属皮膜を樹脂などを用いて皮膜表面及び皮膜の内部にある微細な孔などを封孔処理する方法及び封孔処理した溶射皮膜に関するものである。本発明は被溶射物体の防錆、耐摩耗性、皮膜の耐剥離性を向上させる役割を果たすものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属などの基盤表面に、耐摩耗性、耐熱性、耐食性に優れたサーメットやセラミックスまたは合金を被覆することは一般的な手法として用いられる。これらの被覆によく用いられる手法としてサーメットやセラミックスの粉末、または合金金属ワイヤーなどを火炎を通して吹き付ける溶射法が知られている。通常、溶射したままの皮膜には、数μｍまたは、それ以下の大きさの気孔が体積率で２〜１０％程度も存在し、さらにこれらの気孔間を連結するかたちでマイクロクラックが入る場合もある。これらの気孔、マイクロクラックは、通常、基盤表面から溶射皮膜表面に開口している場合が多く、腐食性を有する液体または気体がこのマイクロクラックに侵入してしまうため耐食性を要求される環境には溶射法が適用できないことになるが、一般にこれらの気孔、マイクロクラックを封鎖する封孔処理が行われる。この封孔処理方法には、各種の無機、有機の封孔剤が適用され、封孔剤の種類（例えば特開平５−２７９８３３号公報，特許第２７２９９３５号公報、特公平２−５６４２７号公報）や硬化方法（例えば特公平２−５６４２７号公報、特開平５−１０６０１４号公報）の発明が多く開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、これらの気孔、マイクロクラックの封鎖は、具体的にセラミック溶射皮膜を例にとると、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの有機剤や水ガラス、エチルシリケートなどの無機剤を封孔剤として皮膜中に含浸して硬化させる封孔処理が一般的に行われてきた。
しかし、これらの封孔処理方法においては、封孔剤のほとんどは溶射皮膜の表面に付着しているだけであり、表層の内部の一定の深さにまで含浸させることは出来ず、溶射皮膜表面の摩耗が進行すると早々にその封孔機能を失っていた。これらの封孔剤は、場合によって、真空や加圧を利用した含浸も行われているが、それらの方法をもっても封孔剤の粘度や表面張力、封孔剤中に分散している有機、無機の分子サイズが大きいことなどによって、封孔剤の内部への浸透、すなわち、摩耗に対しての封孔機能維持が困難であった。特に、サーメット材料やセラミックス材料の溶射において、その溶射皮膜の緻密さから多用される高速ガス溶射法やプラズマ溶射法では、気孔、マイクロクラックの大きさが極めて小さいことから封孔処理剤が含浸しにくいため、前述の封孔機能維持に困難を極めていた。
さらに、ガス中にＳＯｘなど腐食性物質（低温になると硫酸を生成）と硬い粉塵を含有するファン、ブロワーの翼板や、主板は、この課題に直面する代表的な機械部品であり、そのメンテナンス負荷、修繕費用について改善が強く望まれていた。本発明は従来、封孔機能維持が困難とされてきた腐食かつ摩耗環境においても、耐摩耗性、耐食性を長期間維持することが出来る封孔処理方法及び封孔処理された溶射皮膜とそれを施したファンまたはブロワーを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような課題に対して本発明の要旨とするところは、
（１）溶射皮膜内部の空孔よりも小さな粒子径の無機高分子を溶媒中に分散させた、塩化またはフッ化ホスホニトリルの重合体からなる無機高分子エマルジョンを溶射皮膜表面に塗布、含浸させた後、前記無機高分子の架橋反応により前記皮膜内部の空孔を前記無機高分子の弾性体で埋めることを特徴とする溶射皮膜の封孔処理方法。
（２）そして、無機高分子の平均粒径が０．０１〜１０μｍの無機高分子エマルジョンによる（１）の溶射皮膜封孔処理方法である。
（３）さらに、封孔処理する溶射皮膜が、 ＷＣ−Ｃｏ，ＷＣ−ＮｉＣｒ，ＣｒＣ−ＮｉＣｒ，ＣｏＣｒＡｌＹ、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、アルミナ、窒化珪素、クロミナ、シリカ、ジルコニア、ステンレスをはじめとする鉄基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金からなる（１）又は（２）記載の溶射皮膜封孔処理方法である。
（４）また、封孔処理された溶射被膜であって、該溶射被膜表面から少なくとも０．２５ｍｍの深さまでの溶射被膜空孔が、塩化またはフッ化ホスホニトリルの重合体からなる無機高分子エマルジョンの無機高分子の架橋反応した弾性体で埋められていることを特徴とする溶射皮膜である。
（５）また、封孔処理される前記溶射皮膜が、ＷＣ−Ｃｏ，ＷＣ−ＮｉＣｒ，ＣｒＣ−ＮｉＣｒ，ＣｏＣｒＡｌＹ、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、クロミア、シリカ、ジルコニア、ステンレスを含む鉄基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金のいずれかからなることを特徴とする（４）に記載の溶射被膜である。
（６）そして、（４）または（５）記載の溶射皮膜を、表面の一部または全部に施したファンまたはブロワーである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
溶射皮膜に内在する、気孔やマイクロクラックは、特に高速ガス溶射などではその大きさが極めて小さく、また、その占める割合は数％以下と少ないため、気孔、マイクロクラックに浸透していくためには、封孔剤の粘度、表面張力の小さいことと合わせて、封孔成分分子のサイズが気孔、マイクロクラックの大きさに対して十分小さい必要がある。本発明による方法では無機高分子エマルジョンの樹脂のサイズをこの気孔、マイクロクラックより小さくして浸透および硬化後の封孔を可能とした。
【０００６】
Ｂ，Ｎ，Ｐ,Cl，Al，Ca，Geの1種または2種以上の元素を含有する無機高分子エマルジョンを作成する際の溶媒としては、水、アルコール類、油類等を用いることが出来るが、無機高分子の分散を安定にさせる分散剤の選定が比較的容易なことから、水が好ましい。
【０００７】
無機高分子エマルジョンとしては、架橋反応後に無機性ゴム状弾性体となるものがあり、Ｂ，Ｎ，Ｐ，Ｃｌ，Ａｌ，Ｃａ，Ｇｅを含有する無機高分子エマルジョンとしては、塩化ホスホニトリルの重合体（たとえば（ＰＮＣｌ２）ｎ・ＰＣｌ５で表せる（ｎ＝３〜２１）），フッ化ホスホニトリルの重合体（たとえば（ＰＮＦ２）ｎで表せる）等がある。
【０００８】
このような無機高分子エマルジョンは、封孔を必要とする環境に応じて、耐熱性や耐薬品性などの観点から、上記の無機高分子のいずれか１種または２種以上を混合した無機高分子を用いることが好ましい。
【０００９】
溶射皮膜に上記の無機高分子エマルジョンを塗布、含浸させた後、無機高分子の架橋反応により皮膜内部の空孔を樹脂成分で埋めることになる。この機構により溶射皮膜内部まで無機高分子を含浸させると共に強固な無機高分子強度を発現させることが可能となった。
【００１０】
無機高分子粒径は空孔、マイクロクラックより十分に小さいことが要求されるため、実際の空孔、マイクロクラックの大きさがμｍオーダーであるのに対し平均粒径が０．０１μｍから１０μｍ以下とすることが好ましい。
【００１１】
溶射皮膜は、特に耐摩耗性および耐食性を考慮すると WC-Co,WC-NiCr,CrC-NiCr，CoCrAlY、CoNiCrAlYなどのサーメット系材料、アルミナ、窒化珪素、クロミナ、シリカ、ジルコニアなどのセラミックス系材料、ステンレスをはじめとする鉄基合金やNi基合金、Co基合金を用いることが好ましい。
また、溶射皮膜に限らず、特に施工上、やむを得ずクラックが生じる金属系の溶接肉盛皮膜であっても溶射皮膜と同様な封孔効果が見込める。
【００１２】
なお、溶射皮膜内部の空孔やクラックは、皮膜の断面サンプルを作成の上で、光学顕微鏡、電子顕微鏡などの観察からその大きさを測定することが出来る。
また、これらの溶射皮膜を、腐食性物質と粉塵を含むガスを処理するファン、ブロワーの摩耗部位に適用することによって、長期間の僅かずつの摩耗の進行に対しても封孔機能を維持し、腐食性ガス及び降温時に結露して溶射皮膜表面に付着する腐食性液体が溶射皮膜と母材の境界へ侵入して溶射膜を剥離することを防止できる。
【００１３】
【実施例１】
次に、本発明を実施例により説明する。
φ２０mm厚さ５mmの平板（SS400）にWC-12Coを高速ガス溶射法により厚さ0.5mm溶射したのち、水には不溶性である平均粒径０．１μmの塩化ホスホニトリルの重合体からなる無機高分子を水に分散させた無機高分子エマルジョンを刷毛により溶射皮膜表面に塗布し十分に常温で放置、乾燥（縮合反応）させる。溶射皮膜内部の空孔の径は約1μmであった。
これを、図１に示すように、テフロン等適宜材料よりなる治具1内には、溶射皮膜片面のみ露出するようにＯリング２、裏蓋3等を介し溶射＆封孔サンプル４を封入している。そしてこの治具１全体を硫酸５を入れた容器６内に、5日間硫酸に浸漬させる硫酸浸漬試験を行った。試験後、溶射サンプルの断面をEPMAによる成分分析（線分析）を行った結果を図２に示す。
【００１４】
同様に、比較例として一般に用いられているエポキシ樹脂系を塗布した封孔処理（従来技術）による溶射サンプル及び、封孔処理を行わない溶射サンプルで前述の硫酸浸漬試験を行った。そのサンプル断面のEPMAによる成分分析（線分析）結果を図３、図４に示す。
図２〜４ではＳ、 Fe、ＷまたはCoを分析しているが、図４にあるように、封孔処理を行わない場合は、Ｓ成分が皮膜の内部に侵入していることがわかる。このＳは、後に母材に達し、WC-Co溶射皮膜との境界を腐食させ、最終的に皮膜の剥離を発生させる。
一方、図２、図３のように、何らかの封孔処理を施した溶射サンプルでは、ＳのWC-Co溶射皮膜内への侵入は見られず、封孔が機能していることがわかる。
【００１５】
次に、封孔処理を施したＷＣ−Ｃｏ溶射皮膜が摩耗していくことを想定して、各種の封孔処理を施した後に溶射皮膜表面を０．１ｍｍ研磨した溶射サンプルで前述の硫酸浸漬試験を行った。本発明による無機高分子エマルジョンを用いて封孔処理した溶射皮膜サンプル断面の成分分析結果を図５に、エポキシ樹脂系を用いて封孔処理した溶射皮膜サンプル断面の成分分析結果を図６に示す。
図５、図６を比較すると、本発明による無機高分子エマルジョンを用いた封孔処理では研磨しなかった場合と同様にＳの溶射皮膜内部への侵入が見られないのに対し、エポキシ樹脂系の封孔処理を施したものでは、封孔処理がなかった場合と同様に溶射皮膜内部へのＳの侵入が見られる。
【００１６】
表１に、前述の硫酸浸漬試験結果から得られたＳの溶射皮膜内部への侵入有無を一覧にした。
【表１】

無機高分子エマルジョンによる封孔処理では、封孔機能維持の限界を確認するために、研磨量を0.25mmについても試験、分析を実施したが、ここでも、Ｓの溶射皮膜内への侵入は見られなかった。このように、溶射皮膜の摩耗を想定した試験によって、本発明による封孔処理方法では、従来の封孔処理方法に比べて格段に優れた封孔機能を持っていることがわかる。
【００１７】
【実施例２】
次に、実施例１に示した、本発明による封孔処理方法を用いた溶射皮膜の機械部品への適用事例として、本発明による溶射皮膜を摩耗部位に適用したファンを図７に示す。ここで、本発明による溶射皮膜は、ファン本体７の主板８の表裏面において、中央部側の部分と、翼板９の外側面に施している。図中１０は側板である。
このようなファンでは、用途によって、例えばSOx、水分及び硬い粉塵を含有した200℃程度の高温のガスを処理する場合がある。ファン以前の工程を停止させたり、ファンを停止させる際、ガス温度が低下する時、 SOxの一部が水分と合わさり、硫酸が生成し、溶射膜表面に付着する。封孔処理が効いていない場合は、この硫酸が溶射皮膜を通り抜け、溶射皮膜と母材、または下盛の境界に達し、溶射皮膜を剥離させ、結果として、ファンの重大な故障に至る。
前述の硫酸浸漬試験で示したように、本発明による封孔処理された溶射皮膜を施したファンは、溶射皮膜表面の摩耗がある程度進行しても、約２年以上に渡り封孔機能を維持し、溶射皮膜と母材境界へのＳ侵入を阻止して腐食による溶射皮膜の剥離を防止することが出来た。一方、実施例１に示したエポキシ系樹脂を塗布した溶射皮膜を本発明例と同一の場所に施したファンは約1年で溶射皮膜が剥離した。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の封孔処理方法を導入することで、前述のファンに限らず、従来、不可能、または困難とされてきた腐食環境における摩耗部品への溶射法の適用が容易になり、従来の他の方法以上に耐摩耗性、耐食性を長期間維持でき、機械部品の寿命を延長させ、修繕コストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の資料の硫酸浸漬試験を行う装置の説明図。
【図２】本発明に係る溶射サンプルの断面について、Ｓ侵入分析結果を示す説明図。
【図３】従来の溶射サンプルの断面について、Ｓ侵入分析結果を示す説明図。
【図４】従来の封孔処理を施さない溶射サンプルの断面について、Ｓ侵入分析結果を示す説明図。
【図５】本発明に係る溶射サンプルを溶射表面０．１ｍｍ研磨後のＳ侵入分析結果を示す説明図。
【図６】従来のエポキシ樹脂で封孔処理を施した溶射サンプルを溶射表面０．１ｍｍ研磨後のＳ侵入分析結果を示す説明図。
【図７】本発明及び従来技術の封孔処理された皮膜をファンへ適用した例の一部切り欠き説明図。
【符号の説明】
１ 治具
２ Ｏリング
３ 裏蓋
４ 容赦＆封孔サンプル
５ 硫酸
６ 容器
７ ファン本体
８ 主板
９ 翼板
１０ 側板

Claims (6)

1. 溶射皮膜内部の空孔よりも小さな粒子径の無機高分子を溶媒中に分散させた、塩化またはフッ化ホスホニトリルの重合体からなる無機高分子エマルジョンを溶射皮膜表面に塗布、含浸させた後、前記無機高分子の架橋反応により前記皮膜内部の空孔を前記無機高分子の弾性体で埋めることを特徴とする溶射皮膜の封孔処理方法。
2. 無機高分子の平均粒径が０．０１〜１０μｍの無機高分子エマルジョンであることを特徴とする請求項１記載の溶射皮膜の封孔処理方法。
3. 封孔処理する溶射皮膜が、ＷＣ−Ｃｏ，ＷＣ−ＮｉＣｒ，ＣｒＣ−ＮｉＣｒ，ＣｏＣｒＡｌＹ、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、クロミア、シリカ、ジルコニア、ステンレスを含む鉄基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金のいずれかからなることを特徴とする請求項１又は２記載の溶射皮膜の封孔処理方法。
4. 封孔処理された溶射被膜であって、該溶射被膜表面から少なくとも０．２５ｍｍの深さまでの溶射被膜空孔が、塩化またはフッ化ホスホニトリルの重合体からなる無機高分子エマルジョンの無機高分子の架橋反応した弾性体で埋められていることを特徴とする溶射皮膜。
5. 封孔処理される前記溶射皮膜が、ＷＣ−Ｃｏ，ＷＣ−ＮｉＣｒ，ＣｒＣ−ＮｉＣｒ，ＣｏＣｒＡｌＹ、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、クロミア、シリカ、ジルコニア、ステンレスを含む鉄基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金のいずれかからなることを特徴とする請求項４に記載の溶射被膜
6. 請求項４または５に記載の封孔処理された溶射皮膜を、表面の一部または全部に施したファンまたはブロワー。

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